JP2015529296A - Variable stroke mechanism for internal combustion engines - Google Patents

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Abstract

作動の各サイクル時に内燃機関の行程長を変動するための機構は、エンジンブロックに回転不可能に取り付けられた第一歯車、及び均一なクランクアームを達成するために第一歯車とかみ合ってその内側面に形成される第二歯車を有する歯車組、及び機関の全行程サイクルを通してピストン往復運動の可変長を生成するための可変カムアームを含む。ピストン往復運動の軸線に対するクランクアーム及びカムアームの配向は、クランクアームとカムアームがピストンの上死点位置でクランクシャフトに対して正のトルクを協働して生成するように選択される。歯車組はまた、クランクアームの長さに対するカムアームの長さの予め決められた比率を達成するように選択的に構成及び寸法決定される。【選択図】図5A mechanism for varying the stroke length of the internal combustion engine during each cycle of operation includes a first gear that is non-rotatably mounted on the engine block, and meshes with the first gear to achieve a uniform crank arm. A gear set having a second gear formed on the side and a variable cam arm for generating a variable length of piston reciprocation throughout the entire stroke cycle of the engine. The orientation of the crank arm and cam arm relative to the axis of piston reciprocation is selected such that the crank arm and cam arm cooperate to produce positive torque on the crankshaft at the piston top dead center position. The gear set is also selectively configured and dimensioned to achieve a predetermined ratio of cam arm length to crank arm length. [Selection] Figure 5

Description

本発明は、広く内燃機関に関し、より詳細には、往復するピストンと機関クランクシャフトの間の機械連結配置が機関の全作動サイクル時にピストン運動の範囲を変化する、いわゆる「可変行程」機関に関する。一般的に、かかる機構は、爆発行程時の効果的に大きい機械クランクアーム及び吸気行程時の効果的に短い機械クランクアームを達成することによって内燃機関の効率を高める目的を持つ。   The present invention relates generally to internal combustion engines, and more particularly to so-called “variable stroke” engines in which the mechanical coupling arrangement between the reciprocating piston and the engine crankshaft changes the range of piston motion during the entire operating cycle of the engine. In general, such a mechanism has the purpose of increasing the efficiency of the internal combustion engine by achieving an effective large mechanical crank arm during the explosion stroke and an effective short mechanical crank arm during the intake stroke.

従来の内燃機関は、一般的に吸気行程、圧縮行程、爆発行程、及び排気行程と称される反復連続運動に従って作動する。この意味において、「行程」は、駆動ピストンが機関ハウジング又は「ブロック」において円筒形燃焼室内で行ったり来たりするときの駆動ピストンの往復運動を記載する。用語「サイクル」は、用語「行程」と交換可能に使用されることがありうる。従って、上記方法に従って作動する機関は、一般的に四サイクル又は四行程機関として言及され、それは、完全な動力サイクルを完了するためにピストンがシリンダー内で四回往復運動しなければならないことを示す。「サイクル」はまた、機関の完全な動力サイクルを記載するために使用される。この用語の使用法は当業者に従っており、当業者にとって十分に理解される。   Conventional internal combustion engines operate according to repetitive continuous movements commonly referred to as intake stroke, compression stroke, explosion stroke, and exhaust stroke. In this sense, “stroke” describes the reciprocating motion of the drive piston as it moves back and forth in the cylindrical combustion chamber in the engine housing or “block”. The term “cycle” may be used interchangeably with the term “stroke”. Thus, an engine that operates according to the above method is generally referred to as a four-stroke or four-stroke engine, which indicates that the piston must reciprocate four times within the cylinder to complete a complete power cycle. . “Cycle” is also used to describe the complete power cycle of an engine. The usage of this term follows and is well understood by those skilled in the art.

示されているように、機関ピストンが吸気、圧縮、爆発、もしくは排気の行程時又はそれらのいずれかの組み合わせ時により長い又はより短い距離を移動し、その移動のある部分においてピストン速度を変更するために様々な設計が進められている。例えば、ピストンのいわゆる上死点又は下死点位置は、各回転ごとに又は二回転ごとに上又は下に移動される。これらの状態の全ては可変行程機関の様々な様式である。Chadbourneの米国特許第1326129号及びClarkeの米国特許第4044629号は拡張爆発行程(extended expansion stroke)を記載する。拡張爆発行程の実際の適用は、Mazdaによって製造されるMilleniaモデルの自動車であり、それは米国技師Ralph Millerによって1947年に設計されたタイプのいわゆるミラーサイクル機関を利用する。Millerの機関は船舶及び固定動力装置でときどき使用されている。エンジニアリングの目的は、動力を発生する爆発行程と干渉せずに機関の圧縮比を低下することである。ミラーサイクル機関では、ピストンは、吸気弁が閉鎖される前にその行程の1/5を上昇する。燃焼が行程の上で起こった後、爆発ガスはピストンをずっと行程の下に押し、従って膨張比は影響されない。   As shown, the engine piston moves a longer or shorter distance during the intake, compression, explosion, or exhaust stroke, or any combination thereof, changing the piston speed in some part of that movement Various designs are being advanced for this purpose. For example, the so-called top dead center or bottom dead center position of the piston is moved up or down every rotation or every two rotations. All of these states are various forms of variable stroke engines. Chadbourne U.S. Pat. No. 1,326,129 and Clarke U.S. Pat. No. 4,044,629 describe an extended expansion stroke. The actual application of the extended explosion process is a Millenia model car manufactured by Mazda, which utilizes a so-called Miller cycle engine of the type designed in 1947 by American engineer Ralph Miller. Miller's engine is sometimes used in ships and fixed power systems. The purpose of engineering is to reduce the compression ratio of the engine without interfering with the power generating explosion stroke. In a Miller cycle engine, the piston rises 1/5 of its stroke before the intake valve is closed. After combustion occurs on the stroke, the explosion gas pushes the piston all the way down, so the expansion ratio is not affected.

20世紀の前半において、機関シリンダー内の燃焼生成物が各爆発行程後及び続く吸気行程の前の排気行程時にできるだけ完全に除去されなければならないことが内燃機関の技術の熟練者の間で一般的に受け入れられた。多くの様々な特許が、より大きな排気行程を得るために様々な方法を提案する。例えば、Hulseの米国特許第1326733号、Sveteの米国特許第2394269号、Cadyの米国特許第1786423号、Tuckerの米国特許第1964096号、及びAustinの米国特許第1278563号を参照。Chadbourneの米国特許第1326129号及びClarkeの米国特許第4044629号はまた、より大きな排気及び爆発行程に関係する。しかしながら、20世紀の後半で実施された排ガス規制のため、燃焼室内の窒素の酸化によって起こされるNO(窒素の酸化物)の大気への排出を低下する手段として排出ガスの一部が燃焼室内で再循環又は保持される新しい機関設計が進められた。これは、吸気マニホルドを減圧にして排出ガスをEGR(排出ガス再循環)弁を通して吸気マニホルド内に吸引させることによって達成される。 In the first half of the 20th century, it is common among those skilled in the art of internal combustion engines that the combustion products in the engine cylinder must be removed as completely as possible after each explosion stroke and during the exhaust stroke before the subsequent intake stroke. Accepted. Many different patents propose different ways to obtain a larger exhaust stroke. See, for example, US Pat. No. 1,326,733 to Hulse, US Pat. No. 2,394,269 to Svete, US Pat. No. 1,786,423 to Caddy, US Pat. No. 1,964,096 to Tucker, and US Pat. No. 1,278,563 to Austin. Chadbourne U.S. Pat. No. 1,326,129 and Clarke U.S. Pat. No. 4,044,629 are also related to larger exhaust and explosion strokes. However, due to exhaust gas regulations implemented in the second half of the 20th century, a part of the exhaust gas is used as a means to reduce the emission of NO x (nitrogen oxide) caused by oxidation of nitrogen in the combustion chamber to the atmosphere. New engine designs that are recirculated or maintained in This is accomplished by depressurizing the intake manifold and drawing exhaust gas through the EGR (Exhaust Gas Recirculation) valve into the intake manifold.

他では、機関圧縮比を変更するために可変行程設計を使用した。特にヨーロッパ及び日本では、シリンダーのヘッドに対してピストンの位置を変動させる配置によっていわゆる可変圧縮比を達成するための多くの作業が行なわれた。   Others used a variable stroke design to change the engine compression ratio. In Europe and Japan in particular, much work has been done to achieve the so-called variable compression ratio by changing the position of the piston relative to the cylinder head.

圧縮比は、シリンダーの容積と燃焼室の容積の間の比であり、換言すれば、吸気行程時にシリンダー内に行く空気と燃料の混合物は、圧縮比の値と同じだけ圧縮される。一般的に、圧縮比が高いほど、機関効率が高くなる。混合物の予備点火、ノッキング、機関温度、及び機関の構造のような幾つかの制限が存在する。圧縮比は、機関効率に影響する主要因の一つであるので、それを様々な作動条件(速度率、荷重、加速など)について最適化することが望ましい。Schechterの米国特許第5165368号は、かかる機関の代表例を記載する。   The compression ratio is the ratio between the volume of the cylinder and the volume of the combustion chamber, in other words, the air / fuel mixture that goes into the cylinder during the intake stroke is compressed by the same value as the value of the compression ratio. In general, the higher the compression ratio, the higher the engine efficiency. There are several limitations such as pre-ignition of the mixture, knocking, engine temperature, and engine structure. Since the compression ratio is one of the main factors affecting engine efficiency, it is desirable to optimize it for various operating conditions (speed rate, load, acceleration, etc.). Schechter U.S. Pat. No. 5,165,368 describes a representative example of such an institution.

可変ピストン行程適用はまた、ピストンに作用する圧力を最適化するために利用されている。この目的のため、ピストンスピードは、上死点近くで従来のピストンのスピードに対して低下され、燃焼工程及びピストンに作用する生じた力を最大化する。Schaalらの米国特許第5158047号、Williamsの米国特許第5060603号、並びにMcWhoterの米国特許第3686972号、第3861239号、及び4152955号は、この概念の代表例である。   Variable piston stroke application is also utilized to optimize the pressure acting on the piston. For this purpose, the piston speed is reduced relative to the speed of a conventional piston near top dead center, maximizing the combustion process and the resulting force acting on the piston. Schaal et al., US Pat. No. 5,158,047, Williams, US Pat. No. 5,060,603, and McWater, US Pat. Nos. 3,686,972, 3,861,239, and 4,152,955 are representative examples of this concept.

極く最近では、米国特許第5927236号は、歯車組配置が機関出力サイクル全体にわたってピストン行程の長さの変動を達成するためにオフセット支持面を介して機関のピストン連接棒及びクランクシャフトを連結するために利用される内燃機関設計を開示する。特に、この設計は、出力サイクルの爆発部分時に増大した有効クランクアーム長さによってピストン行程を増加してトルク出力を増大し、サイクルの吸気又は吸入及び排気部分時に行程及びピストン速度を低下して体積効率を増加しようとするものであり、全てはそれによって機関の熱効率を高めるものである。   More recently, U.S. Pat. No. 5,927,236 discloses that a gear set arrangement connects an engine piston connecting rod and crankshaft via an offset support surface to achieve piston stroke length variation throughout the engine output cycle. An internal combustion engine design utilized for this purpose is disclosed. In particular, this design increases the piston stroke by increasing the effective crank arm length during the explosive part of the power cycle, increasing the torque output, and reducing the stroke and piston speed during the intake or intake and exhaust parts of the cycle. Everything is going to increase efficiency, and thereby all increase the thermal efficiency of the engine.

基本的に、本発明の目的は、上記の米国特許第5927236号の発明をさらに進化させることである。   Basically, the object of the present invention is to further evolve the invention of the aforementioned US Pat. No. 5,927,236.

特に、本発明の目的は、米国特許第5927236号の設計の可変行程機構における改良を利用して内燃機関におけるトルク出力、馬力出力、燃料効率、体積効率の増大、及び排出量の削減のさらなる増強を達成することである。   In particular, the object of the present invention is to take advantage of improvements in the variable stroke mechanism of the design of US Pat. No. 5,927,236 to further enhance torque output, horsepower output, fuel efficiency, volumetric efficiency, and emission reduction in internal combustion engines. Is to achieve.

それらの目的のために、本発明は、四行程サイクルに従って作動可能である改良された内燃機関を提供するものであり、そこではピストンは、第一方向に移動する吸気行程、第二方向に移動する圧縮行程、第一方向に移動する爆発行程、及び第二方向に移動する排気行程を通して燃焼室内で往復運動する。圧縮行程の終結及び爆発行程の開始時のピストンの位置は上死点として規定される。基本的に、本発明の機関は、少なくとも一つの燃焼室を規定するエンジンブロック、エンジンブロックに回転可能に取り付けられたクランクシャフト、室軸線に沿った往復運動のために燃焼室内に配置されたピストン、及びピストンに枢動可能に取り付けられた連接棒を含む。   For those purposes, the present invention provides an improved internal combustion engine that is operable according to a four stroke cycle, wherein the piston moves in the first direction, the intake stroke moving in the first direction. Reciprocating motion in the combustion chamber through the compression stroke, the explosion stroke moving in the first direction, and the exhaust stroke moving in the second direction. The piston position at the end of the compression stroke and the start of the explosion stroke is defined as top dead center. Basically, the engine of the present invention comprises an engine block defining at least one combustion chamber, a crankshaft rotatably mounted on the engine block, and a piston disposed in the combustion chamber for reciprocation along the chamber axis. And a connecting rod pivotally attached to the piston.

本発明によれば、内燃機関における可変行程長さを作るための機構は、ピストンの往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換するためにクランクシャフトに回転可能に連接棒を連結するための機械歯車組立体を利用する。基本的に、機械組立体は、少なくともエンジンブロックに回転不可能に取り付けられた第一歯車部材、及び第一歯車部材とかみ合って係合される第二歯車部材を含む歯車組を含む。第二歯車部材は、連接棒が取り付けられる第一支持面、及びクランクシャフトと第二歯車部材の回転のためにクランクシャフトに取り付けられた第二支持面を有する。第二支持面は、機関の四行程サイクルの全体を通してクランクシャフトに均一な機械クランクアームを押しつけるためにクランクシャフト軸線のまわりの円形経路で移動するためにクランクシャフト軸線からオフセットされる。第一及び第二支持面は、オフセット距離だけ互いに離隔され、クランクシャフトに可変カムアームを押しつけるために第一支持面をクランクシャフトのまわりに内側及び外側楕円形経路で交互に移動させる。従って、クランクアームとカムアームの総和は、ピストンの往復運動の長さを機関の四行程サイクルの全体を通して変化させる。   According to the present invention, a mechanism for creating a variable stroke length in an internal combustion engine is a mechanical gear for rotatably connecting a connecting rod to a crankshaft to convert the reciprocating motion of a piston into the rotational motion of the crankshaft. Use the assembly. Basically, the machine assembly includes a gear set including at least a first gear member that is non-rotatably attached to the engine block and a second gear member that meshes and engages with the first gear member. The second gear member has a first support surface to which the connecting rod is attached, and a second support surface attached to the crankshaft for rotation of the crankshaft and the second gear member. The second support surface is offset from the crankshaft axis for movement in a circular path around the crankshaft axis to press the uniform mechanical crank arm against the crankshaft throughout the engine's four stroke cycle. The first and second support surfaces are spaced apart from each other by an offset distance to alternately move the first support surface around the crankshaft in an inner and outer elliptical path to press the variable cam arm against the crankshaft. Accordingly, the sum of the crank arm and cam arm changes the length of the piston reciprocation throughout the engine's four stroke cycle.

本発明の一態様によれば、第一支持面の内側及び外側楕円形経路は、クランクアーム及びカムアームが協働してピストンの上死点位置でクランクシャフトに正のトルクを生成するために燃焼室で又はそれに隣接した点で交差する。例えば、本発明の一実施形態によれば、第一支持面の内側及び外側楕円形経路は、燃焼室軸線と一致する点で交差する。あるいは、第一支持面の内側及び外側楕円形経路は、燃焼室が続く吸気行程を開始するときに予め決められた排気容積を保持することを可能にするために排気行程の終結時及び吸気行程の開始時のピストンの位置を上死点位置の下の予め決められた間隔にあるようにするためにクランクシャフトの回転方向に燃焼室軸線の前に約25°より小さい又はそれに等しい予め決められた角度で離隔された点で交差してもよい。   According to one aspect of the present invention, the inner and outer elliptical paths of the first support surface are combusted so that the crank arm and cam arm cooperate to produce positive torque on the crankshaft at the top dead center position of the piston. Intersect in the room or at a point adjacent to it. For example, according to one embodiment of the present invention, the inner and outer elliptical paths of the first support surface intersect at a point that coincides with the combustion chamber axis. Alternatively, the inner and outer elliptical paths of the first support surface may be used at the end of the exhaust stroke and at the intake stroke to allow the combustion chamber to maintain a predetermined exhaust volume when starting the subsequent intake stroke. In order to ensure that the position of the piston at the start of the cylinder is at a predetermined distance below the top dead center position, a predetermined or less than or equal to about 25 ° in front of the combustion chamber axis in the direction of rotation of the crankshaft. You may intersect at points separated by different angles.

本発明の別の態様によれば、第二歯車部材の第一及び第二支持面は、クランクアームの長さに対するカムアームの長さの予め決められた比率を達成するために選択的に構成されかつ寸法決定されている。好ましくは、カムアーム長さはクランクアーム長さの少なくとも約20%であり、クランクアーム長さの約100%以下であることができる。   According to another aspect of the invention, the first and second support surfaces of the second gear member are selectively configured to achieve a predetermined ratio of cam arm length to crank arm length. And the dimensions are determined. Preferably, the cam arm length is at least about 20% of the crank arm length and can be no more than about 100% of the crank arm length.

本発明の関連する態様によれば、クランクアームの長さに対するカムアームの長さの比率は、吸気行程の終結時に燃焼室において予め決められた容積を達成するように選択される。   In accordance with a related aspect of the invention, the ratio of cam arm length to crank arm length is selected to achieve a predetermined volume in the combustion chamber at the end of the intake stroke.

第一歯車部材は、好ましくはピニオン歯車であることができ、第二歯車部材は、好ましくはピニオン歯車とかみ合って遊星歯車の態様でそのまわりを動くように環状体の半径方向内側面のまわりに形成された歯車歯を有するクラウン歯車部分を含む。この方法では、連接棒は第一支持面上で回転してもよく、第二支持面はクランクシャフト上で回転してもよい。   The first gear member may preferably be a pinion gear, and the second gear member preferably meshes with the pinion gear around the radially inner surface of the annulus so as to move around in a planetary gear manner. A crown gear portion having formed gear teeth. In this method, the connecting rod may rotate on the first support surface and the second support surface may rotate on the crankshaft.

本発明は、実質的にいかなる内燃機関にも適用可能であり、好ましくは複数の燃焼室、及び燃焼室の数より少ない又はそれに等しい数で対応する複数の歯車組を有するマルチシリンダー機関であることができる。   The present invention is applicable to virtually any internal combustion engine, preferably a multi-cylinder engine having a plurality of combustion chambers and corresponding gear sets with a number less than or equal to the number of combustion chambers. Can do.

図1は、本発明の好ましい実施形態によるピストン行程の可変長を生成するための機械的組立体を備えた改良された内燃機関の透視図である。FIG. 1 is a perspective view of an improved internal combustion engine with a mechanical assembly for producing a variable length of piston stroke according to a preferred embodiment of the present invention.

図2は、図1の実施形態による可変行程機構の透視図である。FIG. 2 is a perspective view of the variable stroke mechanism according to the embodiment of FIG.

図3は、図1の内燃機関及び図2の可変行程機構の切断概略断面図である。3 is a schematic sectional view of the internal combustion engine of FIG. 1 and the variable stroke mechanism of FIG.

図4は、図3に示された可変行程機構の第二切断図である。FIG. 4 is a second cutaway view of the variable stroke mechanism shown in FIG.

図5は、本発明の好ましい実施形態による可変行程機構を備えた内燃機関の爆発行程の概略図である。FIG. 5 is a schematic view of an explosion stroke of an internal combustion engine having a variable stroke mechanism according to a preferred embodiment of the present invention.

図6は、図5の実施形態による内燃機関の排気行程の概略図である。FIG. 6 is a schematic view of an exhaust stroke of the internal combustion engine according to the embodiment of FIG.

図7は、図5の実施形態による内燃機関の吸気行程の概略図である。FIG. 7 is a schematic view of the intake stroke of the internal combustion engine according to the embodiment of FIG.

図8は、図5の実施形態による内燃機関の圧縮行程の概略図である。FIG. 8 is a schematic view of a compression stroke of the internal combustion engine according to the embodiment of FIG.

図9は、米国特許第5927236号の発明に対して図5〜8に示された本発明の実施形態を比較する概略図である。FIG. 9 is a schematic diagram comparing the embodiment of the present invention shown in FIGS. 5-8 to the invention of US Pat. No. 5,927,236.

図10は、本発明による内燃機関のための可変行程機構の代替実施形態を描く図5〜8と同様の概略図である。FIG. 10 is a schematic view similar to FIGS. 5-8 depicting an alternative embodiment of a variable stroke mechanism for an internal combustion engine according to the present invention.

図11は、本発明による可変行程機構を備えた内燃機関及び従来の四行程内燃機関の比較トルク曲線を描くグラフである。FIG. 11 is a graph depicting comparative torque curves of an internal combustion engine equipped with a variable stroke mechanism according to the present invention and a conventional four-stroke internal combustion engine.

図12は、クランクアームの長さに対するカムアームの長さの比率のそれぞれ異なる選択的な変動を利用する本発明の可変行程機構の異なる実施形態においてカムアーム及びクランクアームによってたどられる異なる経路を概略的に描く。FIG. 12 schematically illustrates the different paths followed by the cam arm and crank arm in different embodiments of the variable stroke mechanism of the present invention that utilize different selective variations in the ratio of cam arm length to crank arm length. Draw on.

図13は、本発明の実施形態におけるクランクアームの長さに対するカムアームの長さの比率の異なる選択的な変動に対する比較データを集めたチャートである。FIG. 13 is a chart that collects comparative data for different selective variations in the ratio of cam arm length to crank arm length in an embodiment of the present invention.

添付図面、最初に図1〜4に戻ると、本発明の好ましい実施形態による改良された内燃機関は、一般に10で示され、通常のエンジンブロック12を含む。エンジンブロック12は、本発明による機械組立体のための支持体として部分的にかつ概略的に示されているにすぎないことが注意されるべきである。さらに、説明目的のため、機関は2シリンダー機関としてのみ示される。それでもなお、本発明の機構が仮想的にいかなるマルチシリンダー機関のための様々な構成に適応されてもよいことが当業者によって容易に認識されるだろう。   Referring back to the accompanying drawings, initially FIGS. 1-4, an improved internal combustion engine according to a preferred embodiment of the present invention is indicated generally at 10 and includes a conventional engine block 12. It should be noted that the engine block 12 is only partly and schematically shown as a support for a machine assembly according to the present invention. Further, for illustrative purposes, the engine is shown only as a two cylinder engine. Nevertheless, it will be readily appreciated by those skilled in the art that the mechanism of the present invention may be virtually adapted to various configurations for any multi-cylinder engine.

一般的な通常のクランクシャフト16は、クランクシャフト16とエンジンブロック12の接合部でクランクシャフト支持面17を与えられている。二つのボルトを中に形成された形態適合アーチ部として形成された支持キャップ19、及びその下側として形成された湾曲支持面21が、エンジンブロック12に取り付けられ、エンジンブロックの開口と支持キャップ19を整合させ、通常のボルトを受け入れて支持キャップ19をエンジンブロック12に取り付け、クランクシャフト16を適所に保持する。   A typical ordinary crankshaft 16 is provided with a crankshaft support surface 17 at the joint between the crankshaft 16 and the engine block 12. A support cap 19 formed as a conforming arch formed with two bolts and a curved support surface 21 formed as an underside thereof are attached to the engine block 12, and the opening of the engine block and the support cap 19 are mounted. , Receive normal bolts and attach a support cap 19 to the engine block 12 to hold the crankshaft 16 in place.

エンジンブロックは、二つの円筒形空孔14(図3及び図4)を形成され、その中に二つの通常のピストン22が往復運動のために配置される。二つの同一の通常の連接棒24は、ピストン22に枢動可能に取り付けられ、次に以下により詳細に記載された方法で本発明の機械組立体によってクランクシャフト16に取り付けられる。通常のエンドキャップ26は、連接棒24に取り付けられ、クランクシャフト16と組み合わせて回転可能な態様でそれらを保持する。以下により詳細に見られるように、連接棒24は、クランクシャフト16に直接取り付けられないが、本発明の機構の支持面に取り付けられる。   The engine block is formed with two cylindrical holes 14 (FIGS. 3 and 4) in which two normal pistons 22 are arranged for reciprocating movement. Two identical conventional connecting rods 24 are pivotally attached to the piston 22 and then attached to the crankshaft 16 by the mechanical assembly of the present invention in the manner described in more detail below. Conventional end caps 26 are attached to the connecting rods 24 and hold them in a rotatable manner in combination with the crankshaft 16. As will be seen in more detail below, the connecting rod 24 is not directly attached to the crankshaft 16, but is attached to the support surface of the mechanism of the present invention.

本発明の機械組立体は、歯車組30が本発明の主要な駆動部分を形成するように各ピストン及び連接棒組立体と組み合わされてクランクシャフト16に取り付けられた歯車組30を含む。各歯車組30は、好ましくはクラウン歯車の形の第二歯車部材36と作動かみ合い係合で、好ましくはピニオン歯車の形の第一歯車部材32を含む。偏心釣り合いおもり20は、2シリンダー機関で一般的であるように、釣り合いのためにクランクシャフトに取り付けられる。歯車組30は、歯車組30を中央に置いて機関10を二つの鏡像の半分に本質的に分割する互いの鏡像として構成される。   The mechanical assembly of the present invention includes a gear set 30 attached to the crankshaft 16 in combination with each piston and connecting rod assembly such that the gear set 30 forms the main drive portion of the present invention. Each gear set 30 includes a first gear member 32, preferably in the form of a pinion gear, in operative meshing engagement with a second gear member 36, preferably in the form of a crown gear. An eccentric counterweight 20 is attached to the crankshaft for counterbalancing, as is common in two cylinder engines. The gear set 30 is configured as a mirror image of each other that essentially divides the engine 10 into two mirror image halves with the gear set 30 in the center.

図2を参照すると、第一歯車部材32は、ピニオン歯車の好ましい形で示され、それは、その周囲に歯列34を有する円柱体を持つ。第二歯車部材36は、クラウン歯車の好ましい形で示され、それは、その半径方向内側の環状面のまわりに形成された連続歯列38を有するカップ状の略円柱形の歯車体37を持つ。二つの第一歯車部材32は、図1に見られるようにクランピング部材33によってエンジンブロック32に固定される円柱形支持部材35によって分離されかつそれに取り付けられる。各第一歯車部材32は、それによって回転に対してエンジンブロック内で適所に固定される。第二歯車部材36の歯は、遊星態様での第一歯車部材32のまわりの第二歯車部材36の回転のために第一歯車部材32の歯とかみ合って係合される。   Referring to FIG. 2, the first gear member 32 is shown in the preferred form of a pinion gear, which has a cylindrical body with teeth 34 around it. The second gear member 36 is shown in the preferred form of a crown gear, which has a cup-like generally cylindrical gear body 37 having a continuous tooth row 38 formed around its radially inner annular surface. The two first gear members 32 are separated and attached to a cylindrical support member 35 that is secured to the engine block 32 by a clamping member 33 as seen in FIG. Each first gear member 32 is thereby secured in place within the engine block against rotation. The teeth of the second gear member 36 are engaged and engaged with the teeth of the first gear member 32 for rotation of the second gear member 36 around the first gear member 32 in a planetary manner.

図3及び図4に戻ると、本発明による機構のより概略的な図が与えられている。ここで再び、エンジンブロックは、ピストン22が動く一つのシリンダー14を描くために、一般に12で示されるように部分的にかつ概略的にしか示されない。   Returning to FIGS. 3 and 4, a more schematic illustration of the mechanism according to the invention is given. Here again, the engine block is shown only partially and schematically, as indicated generally at 12, to depict a single cylinder 14 in which the piston 22 moves.

第二歯車部材36は、内部歯車歯38から直線的に偏位されて反対のカップ状歯車体37の外部側から外側に軸方向に突出する環状ハブの形の支持部材48を含む。支持部材48は、連接棒24が回転可能に取り付けられる外部表面の周囲に形成された第一外部環状支持面40、及び支持部材48の半径方向内部面のまわりに形成された第二支持面42を有する。内部支持面42は、カップ状円柱歯車体37と共通の中心軸の円柱形である。外部支持面40もまた、円柱形であるが、内部支持面42及び歯車体37の軸線に対して偏心しており、それによって支持部材48の本体は、以下でより詳細に説明される最大オフセット距離46を規定する支持面40,42間の半径方向に拡大されたオフセット位置44を持つ。支持面40,42を規定する支持部材48は歯車部材36と一体的に形成されてもよいが、これは明確な条件ではない。唯一の条件は、支持部材48が歯車部材36と一体的に回転しなければならないことであり、一体的な形成がこの結果を達成するための最も簡単な方法である。   The second gear member 36 includes a support member 48 in the form of an annular hub that is linearly displaced from the internal gear teeth 38 and protrudes axially outward from the exterior side of the opposite cup-shaped gear body 37. The support member 48 includes a first outer annular support surface 40 formed around the outer surface to which the connecting rod 24 is rotatably mounted, and a second support surface 42 formed around the radially inner surface of the support member 48. Have The internal support surface 42 has a cylindrical shape with a central axis common to the cup-shaped cylindrical gear body 37. The outer support surface 40 is also cylindrical, but is eccentric with respect to the axes of the inner support surface 42 and the gear body 37 so that the body of the support member 48 is the maximum offset distance described in more detail below. It has an offset position 44 enlarged in the radial direction between the support surfaces 40, 42 defining 46. The support member 48 that defines the support surfaces 40 and 42 may be formed integrally with the gear member 36, but this is not a clear condition. The only requirement is that the support member 48 must rotate integrally with the gear member 36, and integral formation is the simplest way to achieve this result.

図3及び図4を参照して理解されるように、三つの回転軸線がそれにより本発明の機械組立体によって規定される。クランクシャフト16は、クランクシャフト軸線70のまわりに回転し、それは、図3及び図4に見られるように第一歯車部材32の幾何学的軸線(即ち、歯車部材32がそのエンジンブロックへの取り付けが自由回転を許すなら回転するであろう軸線)と一致する。第一歯車部材32の配置は、クランクシャフト軸線70のまわりの少しの回転調整度を可能にするように調整可能である。第二歯車部材36(その一体的歯車部材48を含む)は、予め決められたオフセット距離50だけクランクシャフト軸線70からオフセットされている以外は平行である軸線のまわりに回転する。このクランクシャフトオフセット50は、あらゆるクランク駆動内燃機関に存在し、クランクシャフト16に作用する変動しない機械クランクアームを生成し、それを通してピストンのポンピング往復運動がクランクシャフト16の回転に変換される。支持面40の偏心配向のため、連接棒24は、別個の軸線74のまわりに回転し、それはまた、クランクシャフト軸線70及びオフセット軸線72に平行に延びる。オフセット軸線72と連接棒軸線74の間の距離は、クランクシャフト16に作用する可変カムアームに課す最大オフセット距離46を規定する。この方法では、最大オフセット距離46は、クランクシャフト50と組み合わされて全有効クランク長さを規定し、それは、以下により詳細に説明されるように、機関作動サイクルの全体を通して変化するカムアームに従って変動する。   As can be understood with reference to FIGS. 3 and 4, three axes of rotation are thereby defined by the machine assembly of the present invention. The crankshaft 16 rotates about the crankshaft axis 70, which is the geometric axis of the first gear member 32 (ie, the gear member 32 is attached to its engine block as seen in FIGS. 3 and 4). The axis that will rotate if it allows free rotation). The arrangement of the first gear member 32 can be adjusted to allow a slight degree of rotational adjustment about the crankshaft axis 70. The second gear member 36 (including its integral gear member 48) rotates about an axis that is parallel except that it is offset from the crankshaft axis 70 by a predetermined offset distance 50. This crankshaft offset 50 is present in any crank-driven internal combustion engine and produces a non-fluctuating mechanical crank arm that acts on the crankshaft 16 through which piston pumping reciprocating motion is converted into crankshaft 16 rotation. Due to the eccentric orientation of the support surface 40, the connecting rod 24 rotates about a separate axis 74, which also extends parallel to the crankshaft axis 70 and the offset axis 72. The distance between the offset axis 72 and the connecting rod axis 74 defines the maximum offset distance 46 imposed on the variable cam arm acting on the crankshaft 16. In this manner, the maximum offset distance 46 is combined with the crankshaft 50 to define the total effective crank length, which varies according to cam arms that vary throughout the engine operating cycle, as will be described in more detail below. .

当業者は、機関が完全に作動可能な内燃機関を与えるために弁システム、冷却システム、点火システム、及び付随する構造要素を持つものとして記載されていることを認識するだろう。機関は、必ずこれらのシステム及び要素を含むが、かかるシステム及び要素は、標準的な内燃機関における通常の要素及びシステムと異なる必要はない。ここで、かかる要素は、本発明の記載及び理解のために必要な範囲を越えており、従って本発明がより明確に記載されるように省略される。いかなる好適な弁システム、冷却システム、点火システム、及び関連する構造要素も本発明で満足に作動するだろう。本発明は、実質的にいかなる標準的なクランク駆動内燃機関にも適用可能であることに注意されるべきである。   Those skilled in the art will recognize that the engine is described as having a valve system, a cooling system, an ignition system, and associated structural elements to provide a fully operable internal combustion engine. An engine necessarily includes these systems and elements, but such systems and elements need not be different from the normal elements and systems in a standard internal combustion engine. Here, such elements are beyond the scope necessary for the description and understanding of the invention and are therefore omitted so that the invention can be more clearly described. Any suitable valve system, cooling system, ignition system, and related structural elements will work satisfactorily with the present invention. It should be noted that the present invention is applicable to virtually any standard crank drive internal combustion engine.

通常の内燃機関のように、ピストン22より上のシリンダー14の燃焼室部分における空気燃料混合物の爆発は、ピストンを下方に駆動し、クランクシャフト16の回転を起こす。マルチシリンダー機関は、滑らかな機関の作動のために予め決められた順序の空気燃料混合物の連続爆発のために配置された多数のピストン/シリンダー配置を与える。一般的に、シリンダーの数が多いほど、機関は滑らかに作動するだろう。本発明は2シリンダー機関として示されているが、本発明は実質的にいかなる数のシリンダーを有する機関にも十分に適応可能である。本発明は、火花点火機関、ディーゼル及び他の圧縮点火機関、並びにラジアル機関に等しく適応可能である。   Like a normal internal combustion engine, the explosion of the air fuel mixture in the combustion chamber portion of the cylinder 14 above the piston 22 drives the piston downward and causes the crankshaft 16 to rotate. Multi-cylinder engines provide multiple piston / cylinder arrangements arranged for continuous explosion of a predetermined sequence of air fuel mixture for smooth engine operation. In general, the greater the number of cylinders, the smoother the engine will operate. Although the present invention is shown as a two-cylinder engine, the present invention is fully applicable to engines having virtually any number of cylinders. The present invention is equally applicable to spark ignition engines, diesel and other compression ignition engines, and radial engines.

本発明の改良は、有効ストローク長さ(即ち、完全な機関作動出力サイクルの四行程全体を通してのピストン移動距離の範囲)を変動するように作用する。本発明による機関は、改変されたアトキンソンサイクルに従って作動し、そこでは機関作動の完全なサイクルは、四つの別個の行程(即ち、吸気又は吸入行程;圧縮行程;爆発又は出力行程;及び排出又は排気行程)によって規定される。与えられたシリンダーにおける吸気行程中、シリンダーのための関連吸気弁は、ピストンがクランクシャフトの回転によって下方に吸引されながら開放され、それによって燃焼室中に空気燃料混合物を受け入れる。圧縮行程中、吸気弁は、ピストンが上方に往復運動しながら閉じられ、燃焼室中の燃料空気混合物を予め決められた程度まで圧縮し、予め決められた回数で圧縮された燃料空気混合物が爆発され、例えばシリンダーと関連した点火プラグが燃焼され、従って燃焼によって生成されたガスが膨張するときにシリンダーを通してピストンを再び下方に駆動することによって爆発行程を開始する。爆発行程の完了で、シリンダーのための排気弁は、ピストンが排気又は排出行程を実施するためにシリンダー内で上方向に再び往復運動し始めるときに開放され、その間ピストンは、排気弁を通して燃焼室から廃棄燃焼ガスを追いやり、四サイクル機関の四行程又は四サイクルを繰り返す準備をする。いわゆる行程長さは、作動サイクルの四行程の各々の間の燃焼室内でピストンが移動する距離として規定される。従来の内燃機関では、行程長さは、固定され、機関作動出力サイクルの四つの作動行程の全体を通して変化しない。   The improvement of the present invention operates to vary the effective stroke length (ie, the range of piston travel throughout the entire four strokes of a complete engine operating power cycle). The engine according to the invention operates according to a modified Atkinson cycle, in which the complete cycle of engine operation consists of four separate strokes (i.e. intake or intake stroke; compression stroke; explosion or power stroke; and exhaust or exhaust stroke). ). During the intake stroke in a given cylinder, the associated intake valve for the cylinder is opened while the piston is drawn down by the rotation of the crankshaft, thereby accepting the air fuel mixture into the combustion chamber. During the compression stroke, the intake valve is closed while the piston reciprocates upward, compresses the fuel-air mixture in the combustion chamber to a predetermined degree, and the compressed fuel-air mixture explodes a predetermined number of times. For example, when the spark plug associated with the cylinder is burned, and thus the gas produced by the combustion expands, the explosion stroke is initiated by driving the piston down again through the cylinder. At the completion of the explosion stroke, the exhaust valve for the cylinder is opened when the piston begins to reciprocate again upward in the cylinder to perform the exhaust or exhaust stroke, during which time the piston passes through the exhaust valve through the combustion chamber. Then, the waste combustion gas is driven out and the four stroke engine is prepared to repeat four strokes or four cycles. The so-called stroke length is defined as the distance that the piston travels in the combustion chamber during each of the four strokes of the operating cycle. In conventional internal combustion engines, the stroke length is fixed and does not change throughout the four operating strokes of the engine operating power cycle.

それに対して、本発明は、可変行程長さを与えるように作用する。第二歯車部材36の歯はその内部面に形成されるので、第二歯車部材36は、クランクシャフト16が回転するのと同じ方向で第一歯車部材32のまわりに遊星状に回転する。第一及び第二歯車部材32,36の間のかみ合わせは、1:2の歯車比を与えるように選択され、それによって支持部材48、及びそれによってそのオフセット部分44及び最大オフセット間隔46は、クランクシャフト16の単一回転ごとに一回半の回転で回転する。この機械作用の効果は図5〜8に描かれ、それらの各々は機関の作動出力サイクルの単一行程を示す。   In contrast, the present invention operates to provide a variable stroke length. Since the teeth of the second gear member 36 are formed on the inner surface thereof, the second gear member 36 rotates in a planetary manner around the first gear member 32 in the same direction as the crankshaft 16 rotates. The meshing between the first and second gear members 32, 36 is selected to give a gear ratio of 1: 2, whereby the support member 48 and thereby its offset portion 44 and maximum offset spacing 46 are The shaft 16 is rotated by one and a half rotations for every single rotation of the shaft 16. The effects of this mechanical action are depicted in FIGS. 5-8, each of which represents a single stroke of the engine's operating power cycle.

図5〜8に戻ると、ピストン22を連接棒24を介してクランクシャフト16に連結する本発明のピストン22及び関連する歯車機械組立体の行程が、爆発又は出力行程、排気行程、吸気行程、及び圧縮行程を通して連続的に概略的に描かれている。図5〜8の各々では、それぞれの行程が、連続的に文字によって示された、最初の開始位置、中間位置、及び最終位置で描かれ、一つの行程の最終位置はまた、同じ文字指定下で次の続く行程の最初の位置を構成する。従って、組立体の爆発又は出力行程は図5に概略的に描かれ、Aで示されたピストン22の最初の位置(一般的に「上死点」位置として言及される)、Bで示された中間駆動位置、及びCで示された最終位置を持つ。図6は、C,D及びEで、爆発/出力行程後の排気行程において組立体の最初、中間及び最終位置を描く。図7は、E,F及びGで、排気行程後の吸入行程において組立体の最初、中間及び最終位置を描く。図8は、G,H及びAで、吸入行程後の圧縮行程においてピストン22の最初、中間及び最終位置を描く。   Returning to FIGS. 5-8, the stroke of the piston 22 and associated gear machine assembly of the present invention, which couples the piston 22 to the crankshaft 16 via the connecting rod 24, includes the explosion or power stroke, the exhaust stroke, the intake stroke, And depicted schematically continuously throughout the compression stroke. In each of FIGS. 5-8, each stroke is drawn with an initial start position, an intermediate position, and a final position, sequentially indicated by characters, and the final position of one stroke is also under the same character designation. Constitutes the first position of the next following stroke. Thus, the explosion or power stroke of the assembly is schematically depicted in FIG. 5 and is indicated by the initial position of the piston 22 indicated by A (generally referred to as the “top dead center” position), B. Intermediate drive position and a final position indicated by C. FIG. 6 depicts the initial, intermediate and final positions of the assembly in the exhaust stroke after the explosion / power stroke at C, D and E. FIG. 7 depicts the initial, intermediate and final positions of the assembly in the intake stroke after the exhaust stroke at E, F and G. FIG. 8 depicts the initial, intermediate and final positions of the piston 22 in the compression stroke after the intake stroke at G, H and A.

図5〜8では、ピストン22が往復運動するエンジンブロック12のシリンダー14の長手方向中心線軸が102で示され、クランクシャフト16の回転軸線が70で表わされる。軸線74と一致する連接棒24と支持部材48の間の連結を表わす接合点は52で概略的に示され、軸線72と一致するクランクシャフト16と支持部材48の間の連結を表わす間隔の空いた接合点は54で示され、それぞれの接合点52,54の間の間隔は最大オフセット間隔46を表わす。クランクシャフトオフセットによってクランクシャフト16に作用する機械クランクアームは、支持部材48とクランクシャフト16の間の接合点54と、クランクシャフト70との間に延びるものとして50で表わされ、最大オフセット距離によって生成される可変カムアームは、連接棒24と支持部材48の間の接合点52と、支持部材48とクランクシャフト16の間の接合点54との間に延びるものとして46で表わされる。クランクシャフト16のその軸線70のまわりの回転中、支持部材/クランクシャフト接合点54は、組立体が回転するときにクランクシャフト軸線70のまわりに同心の円形経路56をたどる。オフセット46による軸線72,74の間隔のため、連接棒/オフセット接合点52は、外側楕円形経路58と内側楕円形経路60の間で交互に起こる二つの別個の楕円形経路をたどる。   5 to 8, the longitudinal center line axis of the cylinder 14 of the engine block 12 in which the piston 22 reciprocates is indicated by 102, and the rotation axis of the crankshaft 16 is indicated by 70. A junction point representing the connection between the connecting rod 24 and the support member 48 coincident with the axis 74 is indicated schematically at 52 and is spaced apart representing the connection between the crankshaft 16 and the support member 48 coincident with the axis 72. The junction point is indicated at 54, and the spacing between the respective junction points 52, 54 represents the maximum offset interval 46. The mechanical crank arm acting on the crankshaft 16 by the crankshaft offset is represented by 50 as extending between the joint 54 between the support member 48 and the crankshaft 16 and the crankshaft 70, and depending on the maximum offset distance. The resulting variable cam arm is represented at 46 as extending between a junction 52 between the connecting rod 24 and the support member 48 and a junction 54 between the support member 48 and the crankshaft 16. During rotation of the crankshaft 16 about its axis 70, the support member / crankshaft junction 54 follows a concentric circular path 56 about the crankshaft axis 70 as the assembly rotates. Due to the spacing of the axes 72, 74 by the offset 46, the connecting rod / offset junction 52 follows two separate elliptical paths that occur alternately between the outer elliptical path 58 and the inner elliptical path 60.

理解されるように、しかし本発明の機械歯車組組立体の存在に対して、連接棒24は、他の方法で通常の機関のように54でクランクシャフト16に接合されるだろう。代わりに、図5に描かれているように、本機械歯車組組立体における最大オフセット46によって生成されたカムアーム及びクランクシャフトオフセット50によって生成されたカムアームは一緒に、爆発/出力行程がBのピストン22の中間位置を通してCの最終位置まで進むときに爆発後のピストン22の行程長さを効果的に増加する。特に、爆発行程時に、支持部材48と連接棒24の間の接合部52はその外側偏心経路58に従い、それによって組立体は、図5の位置Bを通って、次いで位置Cに進み、クランクシャフト16は1/2回転し、その間最大オフセット46によって生成されたカムアームは、クランクシャフトオフセット50に加わるように作用して有効行程長さを増加し、その結果、爆発行程は有効全クランク長さをその最大で完了される。有効行程長さのこの増加は、爆発行程において機関10によって実施される仕事を増加するように作用する。この点で、爆発行程が開始する。   As will be appreciated, however, for the presence of the mechanical gear assembly of the present invention, the connecting rod 24 would otherwise be joined to the crankshaft 16 at 54 like a normal engine. Instead, as depicted in FIG. 5, the cam arm generated by the maximum offset 46 and the cam arm generated by the crankshaft offset 50 in the present mechanical gear set assembly together are pistons with an explosion / power stroke of B. Effectively increases the stroke length of the piston 22 after the explosion as it travels through the middle position of 22 to the final position of C. In particular, during the explosion stroke, the joint 52 between the support member 48 and the connecting rod 24 follows its outer eccentric path 58, whereby the assembly proceeds through position B in FIG. 16 rotates 1/2, during which the cam arm produced by the maximum offset 46 acts to add to the crankshaft offset 50 to increase the effective stroke length, so that the explosion stroke reduces the effective total crank length. Completed at that maximum. This increase in the effective stroke length acts to increase the work performed by the engine 10 in the explosion stroke. At this point, the explosion process begins.

図6のピストン位置C,D、及びEによって示されるように、続く爆発行程中、クランクシャフト/オフセット接合部54は、接合部52,54がそれらのそれぞれの経路で進むときにオフセット/連接棒接合部52を過ぎ、その結果、爆発行程の終了で、接合部52,54は図5Aの爆発行程の開始からそれらの相対位置に本質的に逆転し、それによって排気行程中のピストン行程の全長は爆発行程のピストン行程長と実質的に同じである。結果として、ピストンは、燃焼室から燃焼ガス及び副生成物を完全に排出する。   During the subsequent explosion stroke, as indicated by piston positions C, D, and E in FIG. 6, the crankshaft / offset joints 54 are offset / connecting rods as the joints 52, 54 travel along their respective paths. Past the joint 52, so that at the end of the explosion stroke, the joints 52, 54 are essentially reversed to their relative positions from the beginning of the explosion stroke of FIG. 5A, thereby the full length of the piston stroke during the exhaust stroke. Is substantially the same as the piston stroke length of the explosion stroke. As a result, the piston exhausts combustion gases and by-products completely from the combustion chamber.

図7は、図6の排気行程の最終位置Eに始まって、ピストン22によって燃料/空気混合物を吸引するための吸気行程を示す。作動サイクルのこの部分中、オフセット/連接棒接合部52はその内側経路60をたどり、有効行程長さが次第に減少され、そのとき組立体は位置Fに進み、位置Fを通って吸入行程の終了の位置Gまで進み、有効行程長さが最大オフセット46より小さいクランクシャフトオフセット50に等しい量だけその最小長さに減少される。図7の最初の位置Eから最終の位置Gまで、クランクシャフトは1/2回転分、回転する。吸入行程中の有効行程長さの減少の結果として、ピストンを引っ込めて燃料/空気混合物を燃焼室14に受け入れる際に機関が実施しなければならない仕事の量は対応して減少され、燃料使用の同等の減少を達成する。ピストン22が吸入行程時に下方に動く速度は、先行する爆発及び排気行程時より対応して遅い。   FIG. 7 shows the intake stroke for aspirating the fuel / air mixture by the piston 22, starting at the final position E of the exhaust stroke of FIG. During this part of the operating cycle, the offset / connector joint 52 follows its inner path 60 and the effective stroke length is progressively reduced, at which time the assembly advances to position F and passes through position F to complete the suction stroke. Proceed to position G and the effective stroke length is reduced to its minimum length by an amount equal to the crankshaft offset 50 which is less than the maximum offset 46. From the initial position E to the final position G in FIG. As a result of the reduction in the effective stroke length during the intake stroke, the amount of work the engine must perform when retracting the piston and receiving the fuel / air mixture into the combustion chamber 14 is correspondingly reduced, reducing the use of fuel. Achieve the same reduction. The speed at which the piston 22 moves downward during the intake stroke is correspondingly slower than during the preceding explosion and exhaust strokes.

図8は、吸入行程の終了で位置Gで始まる続く圧縮行程を描く。組立体が中間位置Hを通って進み、開始位置Aに戻って別の爆発行程を始めるとき、オフセット/連接棒接合部52は、その内側経路60を通ってその動きを終了し、もう一度その外側経路58に動く。   FIG. 8 depicts the subsequent compression stroke starting at position G at the end of the suction stroke. As the assembly travels through the intermediate position H and returns to the start position A to begin another explosion stroke, the offset / connecting rod joint 52 ends its movement through its inner path 60 and once again at its outer side. Move to path 58.

本発明は、米国特許第5927236号の発明に対して幾つかの進歩を与える。本発明の一態様によれば、歯車組30は、第二歯車部材36の支持部材48と連接棒24の間の連結が接合点52(即ち、連接棒24のための軸線74)によってたどられる外側及び内側楕円形経路58,60に方向を合わされて燃焼室軸線102の点で又はそれに密接した点で交差するように配置され、それによってそれは、機械クランクアーム及びカムアームが協働してピストンの上死点位置でクランクシャフトに正のトルクを生成するようにさせる。特に、図5〜8は、楕円外側及び内側経路58,60の交差がシリンダー/燃焼室の軸線102と一致する本発明の一実施形態を描く。それに対して、図9に描かれているように、米国特許第5927236号に示されかつ記載された好ましい実施形態では、外側及び内側経路58,60の交差は、クランクシャフトの回転方向に対して見ると、シリンダー軸線102より90°前に配向される。   The present invention provides several advances over the invention of US Pat. No. 5,927,236. According to one aspect of the present invention, the gear set 30 is such that the connection between the support member 48 of the second gear member 36 and the connecting rod 24 is followed by a junction 52 (ie, an axis 74 for the connecting rod 24). Oriented outer and inner elliptical paths 58, 60 and arranged to intersect at or close to the point of the combustion chamber axis 102 so that the mechanical crank arm and cam arm cooperate with the piston The crankshaft is caused to generate a positive torque at the top dead center position. In particular, FIGS. 5-8 depict one embodiment of the present invention in which the intersection of the elliptical outer and inner paths 58, 60 coincides with the cylinder / combustion chamber axis 102. In contrast, as depicted in FIG. 9, in the preferred embodiment shown and described in US Pat. No. 5,927,236, the intersection of the outer and inner paths 58, 60 is relative to the direction of rotation of the crankshaft. When viewed, it is oriented 90 ° before the cylinder axis 102.

有利には、本発明における機械配置の変更された配向は、図9で比較して見ると、米国特許第5927236号の好ましい実施形態に対してその上死点位置でピストンに作用する拡大された機械クランクアームを生成し、機関の四サイクルの全範囲にわたって同じように機械クランクアーム及び付随するクランクシャフトトルクを改良する。クランクアームの拡大は、図11のグラフに示されるように、いかなる可変行程配置もない従来の機関と比較すると特に顕著である。図11では、曲線104は、本発明を具体化する1000cc排気量の四シリンダー機関で生成される機械クランクアーム(ミリメートル測定)を、その四サイクル又は行程にわたる機関のクランク角に対してプロットし、曲線106は、ピストン連接棒がピストン行程を変化するいかなる機械又は他の配置もなしでクランクシャフトに直接連結される従来の1000cc排気量の四シリンダー機関で生成された機械クランクアームを比較としてプロットする。   Advantageously, the altered orientation of the machine arrangement in the present invention, when viewed in comparison in FIG. 9, is expanded to act on the piston at its top dead center position relative to the preferred embodiment of US Pat. No. 5,927,236. A mechanical crank arm is created and the mechanical crank arm and associated crankshaft torque are improved in the same way over the full range of the engine's four cycles. The expansion of the crank arm is particularly noticeable when compared to a conventional engine without any variable stroke arrangement as shown in the graph of FIG. In FIG. 11, curve 104 plots a mechanical crank arm (millimeter measurement) produced by a 1000 cc displacement four cylinder engine embodying the present invention against the crank angle of the engine over its four cycles or strokes, Curve 106 plots as a comparison a mechanical crank arm generated in a conventional 1000 cc displacement four-cylinder engine in which the piston connecting rod is connected directly to the crankshaft without any machine or other arrangement that changes the piston stroke. .

曲線106が示すように、従来の機関は、爆発/動力行程に近づくときに圧縮行程時にクランクシャフトに有意な量の負のトルクを受け、一般的には上死点位置の35°前に燃焼火花ができるだけ多く点火されることを要求する。かかる機関では、ピストンは、負のトルクを克服するために負の仕事を実施しなければならず、それは、ゼロのトルク値が上死点(TDC)で達成されるまで支配しつづけ、上死点位置の後(ATDC)の約16°まで有意な量の正のトルクは生成されない。これは、従来の機関が一般的に約800RPMより低い回転数でアイドリングできない主な理由である。それに対して、燃焼室軸線102で又はそれに密接して接合点52(即ち、連接棒24のための軸線74)によってたどられる外側及び内側楕円形経路58,60の交差に方向を合わせる本発明の配置では、増大したクランクアームは、上死点位置の35°前から上死点位置まで増加する正のトルクを生成し、上死点位置の16°後で、本機関で生成されたトルクは従来の機関のそれの2倍より多い。   As shown by curve 106, conventional engines experience a significant amount of negative torque on the crankshaft during the compression stroke as they approach the explosion / power stroke, typically burning 35 ° before top dead center position. Require sparks to be ignited as much as possible. In such engines, the piston must perform negative work to overcome negative torque, which continues to dominate until a torque value of zero is achieved at top dead center (TDC) No significant amount of positive torque is generated until about 16 ° after the point position (ATDC). This is the main reason that conventional engines are generally unable to idle at speeds below about 800 RPM. In contrast, the present invention is oriented to the intersection of outer and inner elliptical paths 58, 60 followed by junction 52 (ie, axis 74 for connecting rod 24) at or in close proximity to combustion chamber axis 102. In this arrangement, the increased crank arm generates a positive torque that increases from 35 ° before the top dead center position to the top dead center position, and 16 ° after the top dead center position. Is more than twice that of conventional engines.

図10に描かれているように、外側及び内側楕円形経路58,60の交差が燃焼室軸線の約25°以内である本発明の代替実施形態が可能である。特に、図10は、本発明の機械的配置がクランクシャフトの回転方向で見ると燃焼室軸線の約25°に等しいか又はそれより小さい予め決められた角度の前の離れた点に外側及び内側楕円形経路58,60の交差を向けるように構成される。図10の位置A’は、爆発行程の最初の開始時、即ち上死点位置の本発明のピストン及び他の関連機械構成要素を描き、この配置が米国特許第5927236号と比較してかかる位置でピストンに作用する有意に拡大した機械クランクアームをなお生成することがわかる。さらに、この配置によって達成される追加の利点は、排気行程の終了及び吸入行程の開始時のピストンの位置が図10の位置E’によって表わされるように上死点位置の下に予め決められた間隔があるようにされることである。このような機械配置の選択的配向は、吸入行程を開始するときに燃焼室が予め決められた量の排気ガスを保持することを可能にし、それは次に機関からの有害な排気の減少に寄与する。   As depicted in FIG. 10, an alternative embodiment of the present invention is possible in which the intersection of the outer and inner elliptical paths 58, 60 is within about 25 ° of the combustion chamber axis. In particular, FIG. 10 shows that the mechanical arrangement of the present invention can be seen on the outer and inner points at a pre-determined angle that is equal to or less than about 25 ° of the combustion chamber axis when viewed in the direction of crankshaft rotation. It is configured to point the intersection of elliptical paths 58,60. Position A ′ in FIG. 10 depicts the piston and other related mechanical components of the present invention at the beginning of the explosion stroke, ie, top dead center, and this arrangement is such a position as compared to US Pat. No. 5,927,236. It can be seen that still produces a significantly enlarged mechanical crank arm acting on the piston. Furthermore, an additional advantage achieved by this arrangement is that the piston position at the end of the exhaust stroke and at the start of the intake stroke is predetermined below the top dead center position as represented by position E ′ in FIG. There is an interval to be made. This selective orientation of the machine arrangement allows the combustion chamber to hold a predetermined amount of exhaust gas when initiating the intake stroke, which in turn contributes to reducing harmful emissions from the engine. To do.

また、クランクアーム50の長さに対するカムアーム46の長さの比率の選択的変動が吸入行程の終了時の燃焼室の容積及び圧縮対膨張比の関連機能変数を選択的に変動可能にすることが発見された。例えば、カムアーム長がクランクアーム長の少なくとも約20%からクランクアーム長の約100%まで変動してもよいことが考えられる。かかる変動は、異なる選択クランクアーム50及び異なる選択カムアーム46を達成するために支持部材48の外部及び内部支持面40,42の寸法及び偏心関係を変動することによって達成されてもよい。図12は、カムアーム対クランクアーム比率を20%の増分で選択的に変動するときに接合点52(即ち、連接棒24のための軸線74)によってたどられる外側及び内側楕円形経路58,60において構成(サイズ及び形状)で生成される相対的変化及び相対的差異を概略的に描く。図13のチャートは、かかる変化によって影響される付随変数について比較データを編集する。特に、このチャートで編集されたデータは、1000cc排気量の機関、即ち、火花点火燃焼を使用する機関について10:1の固定圧縮比又は燃焼を点火するために圧縮を使用する機関について15:1の固定圧縮比を持ち、1000ccの固定吸気サイクルを持つものを想定する。全体に、チャートは、カムアーム対クランクアームの比率の増加が燃料消費(1ガロンあたりの走行マイル数)及びトルクにおいて匹敵する1000cc排気量の従来の機関に対してかなりの利点を達成することを示す。例えば、かかる1000cc機関における70%のカムアーム対クランクアーム比率では、機関は1739ccの膨張容量を達成し、10:1の圧縮比で16.7:1の膨張比が達成される。実際には、本発明による1000ccの機関のこの構成は、1739ccの機関のトルク及び馬力出力を生成するが、従来の1000ccの機関と同じ量の燃料を消費するにすぎないだろう。   Also, the selective variation of the ratio of the length of the cam arm 46 to the length of the crank arm 50 can selectively vary the relevant functional variables of the combustion chamber volume and compression to expansion ratio at the end of the intake stroke. It's been found. For example, it is contemplated that the cam arm length may vary from at least about 20% of the crank arm length to about 100% of the crank arm length. Such variation may be achieved by varying the dimensions and eccentricity of the outer and inner support surfaces 40, 42 of the support member 48 to achieve different selection crank arms 50 and different selection cam arms 46. FIG. 12 shows the outer and inner elliptical paths 58, 60 followed by the junction 52 (ie, the axis 74 for the connecting rod 24) when the cam arm to crank arm ratio is selectively varied in 20% increments. Schematically depicts the relative changes and differences produced by the configuration (size and shape). The chart of FIG. 13 edits the comparison data for associated variables that are affected by such changes. In particular, the data compiled in this chart is 15: 1 for a 1000 cc displacement engine, ie a 10: 1 fixed compression ratio for an engine using spark ignition combustion or an engine using compression to ignite combustion. A fixed compression ratio of 1000 cc and a fixed intake cycle of 1000 cc are assumed. Overall, the chart shows that increasing the cam arm to crank arm ratio achieves significant advantages over a conventional engine with 1000cc displacement comparable in fuel consumption (miles per gallon) and torque. . For example, with a 70% cam arm to crank arm ratio in such a 1000 cc engine, the engine achieves an expansion capacity of 1739 cc and an expansion ratio of 16.7: 1 is achieved with a 10: 1 compression ratio. In practice, this configuration of a 1000 cc engine according to the present invention will produce 1739 cc engine torque and horsepower output, but will only consume the same amount of fuel as a conventional 1000 cc engine.

それゆえ、本発明は広い実用性及び用途を受け入れる余地があることが当業者によってすぐに理解されるだろう。記載されたもの以外の本発明の多くの実施形態及び適応、並びに多くの変形、修正及び均等配置は、本発明の実体又は範囲から逸脱せずに本発明及びその前述の記載から明らかであるか、又は合理的に示唆されるだろう。従って、本発明はその好ましい実施形態に関してここに詳細に記載されるが、この開示は本発明の説明及び例示にすぎず、単に本発明の十分で実現可能な開示を与える目的のためになされていることが理解されるべきである。前述の開示は、本発明を限定したり、又はそうでなければかかる他の実施形態、適応、変形、修正、及び均等配置を除外することを意図又は解釈されるものではなく、本発明は、ここに添付の請求項及びその均等物によってのみ限定される。   Therefore, it will be readily appreciated by those skilled in the art that the present invention is open to wide utility and application. Many embodiments and adaptations of the invention other than those described, as well as many variations, modifications, and equivalent arrangements will be apparent from the invention and its foregoing description without departing from the substance or scope of the invention. Or would be reasonably suggested. Accordingly, although the present invention is described in detail herein with reference to preferred embodiments thereof, this disclosure is merely illustrative and exemplary of the invention and is made merely for the purpose of providing a thorough and feasible disclosure of the invention. It should be understood that The above disclosure is not intended or construed as limiting the invention or otherwise excluding such other embodiments, adaptations, variations, modifications, and equivalent arrangements. It is limited only by the claims appended hereto and their equivalents.

Claims (14)

少なくとも一つの燃焼室を規定するエンジンブロックと、クランクシャフト軸線のまわりの回転のためにエンジンブロックに取り付けられたクランクシャフトと、室軸線に沿った往復運動のために燃焼室内に配置されたピストンと、ピストンに枢動可能に取り付けられた連接棒と、ピストンの往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換するために連接棒を回転可能にクランクシャフトに連結する機械組立体であって、少なくともエンジンブロックに回転不可能に取り付けられた第一歯車部材、及び第一歯車部材とかみ合って係合される第二歯車部材を含む歯車組を含む機械組立体とを含む内燃機関であって、
内燃機関が四行程サイクルに従って作動可能であり、ピストンが、第一方向に移動する吸気行程、第二方向に移動する圧縮行程、第一方向に移動する爆発行程、及び第二方向に移動する排気行程を通して燃焼室内で往復運動し、圧縮行程の終結時及び爆発行程の開始時のピストンの位置が上死点として規定され、
第二歯車部材が、連接棒が取り付けられる第一支持面、及びクランクシャフトと第二歯車部材の回転のためにクランクシャフトに取り付けられた第二支持面を有する支持部分を含み、
第二支持面が、機関の四行程サイクルの全体を通してクランクシャフトに均一な機械クランクアームを押しつけるためにクランクシャフト軸線のまわりの円形経路で移動するためにクランクシャフト軸線からオフセットされ、
第一及び第二支持面が、オフセット距離だけ互いに離隔され、クランクシャフトに可変カムアームを押しつけるために第一支持面をクランクシャフトのまわりに内側及び外側楕円形経路で交互に移動させ、
クランクアームとカムアームの総和が、ピストン往復運動の長さを機関の四行程サイクルの全体を通して変化させ、
第一支持面の内側及び外側楕円形経路が、クランクアーム及びカムアームを協働させてピストンの上死点位置でクランクシャフトに正のトルクを生成するために燃焼室軸線で又はそれに隣接した点で交差する、内燃機関。
An engine block defining at least one combustion chamber; a crankshaft attached to the engine block for rotation about a crankshaft axis; and a piston disposed in the combustion chamber for reciprocation along the chamber axis A connecting rod pivotally attached to the piston, and a mechanical assembly for rotatably connecting the connecting rod to the crankshaft to convert the reciprocating motion of the piston into rotational motion of the crankshaft, at least the engine block An internal combustion engine comprising: a first gear member non-rotatably attached to the first gear member; and a mechanical assembly including a gear set including a second gear member meshingly engaged with the first gear member,
An internal combustion engine is operable in accordance with a four-stroke cycle, and a piston moves in a first direction, a compression stroke moves in a second direction, an explosion stroke moves in a first direction, and an exhaust moves in a second direction. Reciprocating in the combustion chamber throughout the stroke, the piston position at the end of the compression stroke and the start of the explosion stroke is defined as the top dead center,
The second gear member includes a support portion having a first support surface to which the connecting rod is attached, and a second support surface attached to the crankshaft for rotation of the crankshaft and the second gear member;
A second support surface is offset from the crankshaft axis to move in a circular path around the crankshaft axis to press the uniform mechanical crankarm against the crankshaft throughout the engine's four-stroke cycle;
The first and second support surfaces are separated from each other by an offset distance, and the first support surface is alternately moved around the crankshaft in an inner and outer elliptical path to press the variable cam arm against the crankshaft;
The sum of the crank arm and cam arm changes the length of piston reciprocation throughout the engine's four-stroke cycle,
The inner and outer elliptical paths of the first support surface are at points at or adjacent to the combustion chamber axis to cooperate the crank arm and cam arm to produce positive torque on the crankshaft at the top dead center position of the piston. An internal combustion engine that intersects.
第一支持面の内側及び外側楕円形経路が、燃焼室軸線と一致する点で交差する、請求項1に記載の内燃機関。   The internal combustion engine of claim 1, wherein the inner and outer elliptical paths of the first support surface intersect at a point that coincides with the combustion chamber axis. 第一支持面の内側及び外側楕円形経路が、燃焼室が吸気行程を開始するときに予め決められた排気容積を保持することを可能にするために排気行程の終結時及び吸気行程の開始時のピストンの位置を上死点位置の下の予め決められた間隔にあるようにするためにクランクシャフトの回転方向に燃焼室軸線の前に約25°より小さい又はそれに等しい予め決められた角度で離隔された点で交差する、請求項1に記載の内燃機関。   At the end of the exhaust stroke and at the start of the intake stroke to allow the inner and outer elliptical paths of the first support surface to retain a predetermined exhaust volume when the combustion chamber starts the intake stroke At a predetermined angle less than or equal to about 25 ° in front of the combustion chamber axis in the direction of rotation of the crankshaft so that the piston position is at a predetermined spacing below the top dead center position. The internal combustion engine of claim 1, which intersects at spaced points. 第二歯車部材の第一及び第二支持面が、クランクアームの長さに対するカムアームの長さの予め決められた比率を達成するために選択的に構成されかつ寸法決定されている、請求項1に記載の内燃機関。   The first and second support surfaces of the second gear member are selectively configured and dimensioned to achieve a predetermined ratio of cam arm length to crank arm length. The internal combustion engine described in 1. カムアーム長さがクランクアーム長さの少なくとも約20%である、請求項4に記載の内燃機関。   The internal combustion engine of claim 4, wherein the cam arm length is at least about 20% of the crank arm length. カムアーム長さがクランクアーム長さの約100%以下である、請求項5に記載の内燃機関。   The internal combustion engine of claim 5, wherein the cam arm length is about 100% or less of the crank arm length. クランクアームの長さに対するカムアームの長さの比率が、吸気行程の終結時に燃焼室において予め決められた容積を達成するように選択される、請求項6に記載の内燃機関。   The internal combustion engine of claim 6, wherein the ratio of cam arm length to crank arm length is selected to achieve a predetermined volume in the combustion chamber at the end of the intake stroke. 第二歯車部材が、環状体の半径方向内側面のまわりに形成された歯車歯を有するクラウン歯車部分を含む、請求項1に記載の内燃機関。   The internal combustion engine of claim 1, wherein the second gear member includes a crown gear portion having gear teeth formed about a radially inner surface of the annular body. 第二歯車部材が、クラウン歯車部分から外側に突出する支持部分を含み、第一支持面上の連接棒の回転及びクランクシャフト上の第二支持面の回転のために第一支持面が支持部分の外側面上に形成され、第二支持面が支持部分の内側面上に形成される、請求項8に記載の内燃機関。   The second gear member includes a support portion projecting outward from the crown gear portion, the first support surface being a support portion for rotation of the connecting rod on the first support surface and rotation of the second support surface on the crankshaft. The internal combustion engine of claim 8, wherein the second support surface is formed on an inner surface of the support portion. 内燃機関が、複数の燃焼室、及び燃焼室の数より少ない又はそれに等しい数で対応する複数の歯車組を有するマルチシリンダー機関である、請求項1に記載の内燃機関。   2. The internal combustion engine according to claim 1, wherein the internal combustion engine is a multi-cylinder engine having a plurality of combustion chambers and a plurality of gear sets corresponding to a number smaller than or equal to the number of combustion chambers. 少なくとも一つの燃焼室を規定するエンジンブロックと、クランクシャフト軸線のまわりの回転のためにエンジンブロックに取り付けられたクランクシャフトと、室軸線に沿った往復運動のために燃焼室内に配置されたピストンと、ピストンに枢動可能に取り付けられた連接棒と、ピストンの往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換するために連接棒を回転可能にクランクシャフトに連結する機械組立体であって、少なくともエンジンブロックに回転不可能に取り付けられた第一歯車部材、及び第一歯車部材とかみ合って係合される第二歯車部材を含む歯車組を含む機械組立体とを含む内燃機関であって、
内燃機関が四行程サイクルに従って作動可能であり、ピストンが、第一方向に移動する吸気行程、第二方向に移動する圧縮行程、第一方向に移動する爆発行程、及び第二方向に移動する排気行程を通して燃焼室内で往復運動し、圧縮行程の終結時及び爆発行程の開始時のピストンの位置が上死点として規定され、
第二歯車部材が、連接棒が取り付けられる第一支持面、及びクランクシャフトと第二歯車部材の回転のためにクランクシャフトに取り付けられた第二支持面を有し、
第二支持面が、機関の四行程サイクルの全体を通してクランクシャフトに均一な機械クランクアームを押しつけるためにクランクシャフト軸線のまわりの円形経路で移動するためにクランクシャフトからオフセットされ、
第一及び第二支持面が、オフセット距離だけ互いに離隔され、クランクシャフトに可変カムアームを押しつけるために第一支持面をクランクシャフトのまわりに内側及び外側楕円形経路で交互に移動させ、
クランクアームとカムアームの総和が、ピストン往復運動の長さを機関の四行程サイクルの全体を通して変化させ、
第二歯車部材の第一及び第二支持面が、クランクアームの長さに対するカムアームの長さの予め決められた比率を達成するために選択的に構成されかつ寸法決定されている、内燃機関。
An engine block defining at least one combustion chamber; a crankshaft attached to the engine block for rotation about a crankshaft axis; and a piston disposed in the combustion chamber for reciprocation along the chamber axis A connecting rod pivotally attached to the piston, and a mechanical assembly for rotatably connecting the connecting rod to the crankshaft to convert the reciprocating motion of the piston into rotational motion of the crankshaft, at least the engine block An internal combustion engine comprising: a first gear member non-rotatably attached to the first gear member; and a mechanical assembly including a gear set including a second gear member meshingly engaged with the first gear member,
An internal combustion engine is operable in accordance with a four-stroke cycle, and a piston moves in a first direction, a compression stroke moves in a second direction, an explosion stroke moves in a first direction, and an exhaust moves in a second direction. Reciprocating in the combustion chamber throughout the stroke, the piston position at the end of the compression stroke and the start of the explosion stroke is defined as the top dead center,
The second gear member has a first support surface to which the connecting rod is attached, and a second support surface attached to the crankshaft for rotation of the crankshaft and the second gear member;
A second support surface is offset from the crankshaft to move in a circular path around the crankshaft axis to press the uniform mechanical crankarm against the crankshaft throughout the engine's four-stroke cycle;
The first and second support surfaces are separated from each other by an offset distance, and the first support surface is alternately moved around the crankshaft in an inner and outer elliptical path to press the variable cam arm against the crankshaft;
The sum of the crank arm and cam arm changes the length of piston reciprocation throughout the engine's four-stroke cycle,
An internal combustion engine wherein the first and second support surfaces of the second gear member are selectively configured and dimensioned to achieve a predetermined ratio of the cam arm length to the crank arm length.
カムアーム長さがクランクアーム長さの少なくとも約20%である、請求項11に記載の内燃機関。   The internal combustion engine of claim 11, wherein the cam arm length is at least about 20% of the crank arm length. カムアーム長さがクランクアーム長さの約100%以下である、請求項12に記載の内燃機関。   The internal combustion engine of claim 12, wherein the cam arm length is about 100% or less of the crank arm length. クランクアームの長さに対するカムアームの長さの比率が、吸気行程の終結時に燃焼室において予め決められた容積を達成するように選択される、請求項13に記載の内燃機関。   14. The internal combustion engine of claim 13, wherein the ratio of cam arm length to crank arm length is selected to achieve a predetermined volume in the combustion chamber at the end of the intake stroke.
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